Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Tổng hợp hệ thống điều khiển bám và ổn định gián tiếp trục nòng pháo trên phương tiện chiến đấu cơ động bánh xích

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

3
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Tổng hợp hệ thống điều khiển bám và ổn định gián tiếp trục nòng pháo trên phương tiện chiến đấu cơ động bánh xích" được nghiên cứu với mục tiêu: Trên cơ sở mô hình động lực học cũng như các yếu tố đặc trưng tác động vào hệ truyền động súng pháo trên phương tiện CĐCĐBX, luận án đặt mục tiêu tổng hợp thuật toán xác định tham số véc-tơ đường bắn trong điều kiện tư thế xe và phần tử bắn thay đổi.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Tổng hợp hệ thống điều khiển bám và ổn định gián tiếp trục nòng pháo trên phương tiện chiến đấu cơ động bánh xích

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ CHU ĐỨC CHÌNH TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BÁM VÀ ỔN ĐỊNH GIÁN TIẾP TRỤC NÒNG PHÁO TRÊN PHƯƠNG TIỆN CHIẾN ĐẤU CƠ ĐỘNG BÁNH XÍCH Ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa Mã số: 9 52 02 16 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội – 2025
CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ - BỘ TỔNG THAM MƯU Người hướng dẫn khoa học: 1. GS. TSKH Cao Tiến Huỳnh 2. TS Lê Trần Thắng Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Thanh Tiên Viện Kỹ thuật Cơ giới quân sự Phản biện 2: TS Đoàn Thế Tuấn Học viện Kỹ thuật quân sự Phản biện 3: PGS.TS Nguyễn Quang Vịnh Viện Khoa học và Công nghệ quân sự Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Viện họp tại Viện Khoa học và Công nghệ quân sự vào hồi: ……giờ …… ngày ...... tháng……. năm 2025 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Viện Khoa học và Công nghệ quân sự - Thư viện Quốc gia Việt Nam
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài luận án Các phương tiện chiến đấu cơ động bánh xích (CĐCĐBX) vẫn giữ vai trò quan trọng cho đến ngày nay. Để đáp ứng yêu cầu của chiến tranh hiện đại, đòi hỏi các hệ thống điều khiển vũ khí nói chung và điều khiển ổn định đường bắn nói riêng liên tục phải được nghiên cứu, phát triển. Các phương CĐCĐBX trong quân đội ta phần lớn thuộc thế hệ cũ, với hệ thống điều khiển vũ khí có chất lượng điều khiển, ổn định không cao. Ngoài ra, đối với một số loại phương tiện, khí tài mới được chuyển giao, do tính bảo mật về công nghệ quân sự, ta không thể tiếp cận được với các hệ thống điều khiển hiện đại đang được trang bị. Do đó, để đáp ứng được nhu cầu cải tiến, nâng cấp các hệ thống có sẵn cũng như làm tiền đề để thiết kế chế tạo mới các hệ thống vũ khí trong tương lai, việc tổng hợp hệ thống điều khiển ổn định cho các hệ thống vũ khí nói chung và trên phương tiện CĐCĐBX nói riêng ứng dụng những thành tựu khoa học mới nhất trong lĩnh vực điều khiển là nhu cầu hết sức cần thiết. 2. Mục tiêu nghiên cứu Trên cơ sở mô hình động lực học cũng như các yếu tố đặc trưng tác động vào hệ truyền động súng pháo trên phương tiện CĐCĐBX, luận án đặt mục tiêu tổng hợp thuật toán xác định tham số véc-tơ đường bắn trong điều kiện tư thế xe và phần tử bắn thay đổi. Đồng thời, tổng hợp bộ điều khiển thích nghi bền vững điều khiển bám và ổn định gián tiếp trục nòng pháo nhằm nâng cao chất lượng hệ thống ổn định đường bắn, đáp ứng yêu cầu đặt ra cho phương tiện trong điều kiện tác chiến hiện đại. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Lớp phương tiện CĐCĐBX được trang bị vũ khí là hệ thống súng, pháo. Phạm vi nghiên cứu: Hệ truyền động thủy lực 2 kênh cho súng pháo; hệ thống điều khiển bám và ổn định trục nòng pháo theo phương pháp gián tiếp trong điều kiện tư thế xe và tham số phần tử bắn biến đổi. 4. Nội dung nghiên cứu Nghiên cứu các kỹ thuật điều khiển hiện đại; xây dựng mô hình toán học cho đối tượng điều khiển trong điều kiện có yếu tố bất định mô hình và chịu tác động của nhiễu, và có tính đến các thuộc tính động học đặc trưng của loại hình phương tiện chiến đấu bánh xích. Nghiên cứu thuật toán xác định tư thế phương tiện cơ động trong hệ tọa độ (HTĐ) quán tính trên cơ sở ứng dụng các cảm biến đo lường hiện đại: cảm biến quán tính IMU, cảm biến từ trường 3 trục, cảm biến đo lường tham số góc,… Nghiên cứu, ứng dụng kỹ thuật điều khiển loại bỏ nhiễu chủ động ADRC kết hợp với phương pháp nhận dạng hàm phi tuyến ứng dụng mạng nơ-ron RBF. Trên cơ sở đó, tổng hợp được bộ điều khiển thích nghi, bền vững cho hệ thống. 5. Phương pháp nghiên cứu
2 Sử dụng phương pháp giải tích, hình học, cơ học để xây dựng mô hình cho đối tượng nghiên cứu; thực nghiệm đo đạc, thu thập dữ liệu về tham số hệ thống. Mô phỏng trên máy tính để kiểm chứng tính đúng đắn, độ tin cậy cũng như tính hiệu quả của giải pháp đề ra trong luận án. Triển khai, áp dụng thử nghiệm thuật toán điều khiển trên thiết bị tích hợp trong hệ thống thực tế. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Ý nghĩa khoa học: Đề xuất phương pháp xây dựng hệ thống và giải quyết bài toán điều khiển bám sát, ổn định cho vũ khí trên phương tiện CĐCĐBX có tính đến các yếu tố bất định về tham số và nhiễu tác động. Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu của luận là là cơ sở khoa học để áp dụng và triển khai xây dựng cũng như cải tiến hệ thống ổn định súng pháo nói riêng và hệ thống điều khiển hỏa lực nói chung trên các phương tiện CĐCĐBX. 7. Bố cục của luận án Với các mục tiêu nghiên cứu đặt ra, ngoài các phần mở đầu, kết luận, danh mục tài liệu tham khảo và phụ lục, luận án được bố cục thành 04 chương. Chương 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ỔN ĐỊNH SÚNG PHÁO TRÊN PHƯƠNG TIỆN CHIẾN ĐẤU CƠ ĐỘNG BÁNH XÍCH 1.1. Đặc điểm của phương tiện cơ động bánh xích 1.1.1. Hệ thống treo và động lực học mô tả chuyển động của thân xe Mô tả chuyển động của phương tiện trên cơ sở phương trình Lagrange 2: d  Ek  Ek  Ed  E p ( )− + + = F (t ) (1.1) dt  q q q q Hệ phương trình động lực học mô tả chuyển động của xe dưới tác động của địa hình với 3 bậc tự do (z, ϕ, θ) [40]:  n n mz = −nkd z + kd  ( zi + xi − yi q) − ncd z + cd  ( zi + xi − yi )  1 1  n n  J yy = kd  xi ( z − zi − xi + yi ) + cd  xi ( z − zi − xi + yi ) (1.9)  1 1  n n  J xx = kd  yi (− z + zi + xi − yi ) + cd  yi (− z + zi + xi − yi )  1 1 1.1.2. Một số đặc trưng dao động của xe bánh xích - Ảnh hưởng của lực tác động cục bộ lên từng điểm trên bánh xích đến dao động của toàn bộ thân xe là nhỏ. - Tác động của các dao động tịnh tiến tới độ chính xác đường bắn là nhỏ. - Dao động do nổ máy có biên độ nhỏ nên không ảnh hưởng đến độ lệch đường bắn, mà chỉ gây nhiễu cho các thiết bị đo lường lắp đặt trên xe.
3 - Nhiễu vận hành do chuyển động dọc trục và chuyển động quay gây ra có tần số thấp và hoàn toàn đo và bù được nhờ các cảm biến đo lường. - Trong quá trình hoạt động, nhiễu địa hình sẽ gây ra các dao động về tư thế xe và tác động lớn đến các góc của đường bắn. 1.2. Vai trò và phân loại của hệ thống ổn định súng pháo 1.2.1. Vai trò của hệ thống ổn định súng pháo Hệ thống có vai trò điều khiển súng pháo chống lại hoặc làm suy giảm tác động của chuyển động thân xe (do địa hình, do thao tác lái,…) tới đường bắn. Tùy thuộc vào phương tiện cụ thể mà mục tiêu của hệ thống ổn định là: - Ổn định các tham số góc đường bắn trong 2 mặt phẳng tầm, hướng; - Hoặc, ổn định đường bắn trong không gian quán tính. 1.2.2. Phân loại hệ thống ổn định súng pháo Có 2 phương pháp ổn định súng pháo: - Ổn định trực tiếp: Cảm biến lắp trên đối tượng ổn định (nòng pháo); - Ổn định gián tiếp: Cảm biến lắp đặt trên xe cơ sở. 1.3. Hệ thống truyền động vũ khí và bài toán bắn trong hành tiến 1.3.1. Hệ truyền động vũ khí Đối tượng điều khiển của luận án là hệ thống truyền động servo thủy lực 2 kênh quay tầm, hướng với cơ cấu chấp hành (CCCH) sử dụng bơm và động cơ thủy lực kiểu pít-tông hướng trục và có sơ đồ cấu trúc như Hình 1.8. Hình 1.8 Hệ thống truyền động servo thủy lực quay pháo 1.3.2. Bài toán bắn trong hành tiến Để có thể thực hiện phương pháp bắn trong hành tiến, hệ thống điều khiển súng pháo và ổn định đường bắn cần phải giải quyết được 2 vấn đề: Thứ nhất, xác định được các tác động của yếu tố địa hình và yếu tố biến đổi của tham số phần tử bắn tới các góc tọa độ đường bắn của súng pháo. Thứ hai, điều khiển súng pháo bám sát theo điểm đặt tính toán dưới tác động của nhiễu và các yếu tố bất định của hệ thống. 1.4. Tổng quan tình hình nghiên cứu 1.4.1. Tình hình nghiên cứu trong nước Các hệ thống điều khiển vũ khí trên phương tiện cơ động bánh xích
4 (CĐCĐBX) ít được quan tâm nghiên cứu do sự phức tạp của đối tượng cũng như hạn chế trong việc tiếp cận tài liệu và thử nghiệm hệ thống. Một số công trình nghiên cứu được triển khai chủ yếu tập trung vào việc thiết kế, chế tạo các khối điều khiển ổn định thay thế cho thiết bị nguyên bản trên cơ sở công nghệ điện tử hiện đại nhưng vẫn áp dụng các thuật toán điều khiển kinh điển. Bên cạnh đó, một số nghiên cứu được thực hiện nhằm tổng hợp các thuật toán bám sát và ổn định cho các đài quan sát quang điện tử với CCCH là các động cơ PMSM [2], [3], [4], [5]. 1.4.2. Tình hình nghiên cứu ngoài nước Cũng do tính đặc thù, các công trình nghiên cứu ngoài nước cũng thường chỉ tập trung nghiên cứu vào các đối tượng có tính tương đồng và dễ tiếp cận như các bệ ổn định quán tính ISP (Inertial Stabilized Platform) [8], [22], [41], [44], [47], [65], [67], [75], [76], [78], các hệ thống ổn định đường ngắm LOS (Line-Of-Sight) cho các đài quan sát quang điện tử [13], hệ thống ổn định anten vệ tinh [43], [59], [61], [72]… Một số tác giả có khả năng tiếp cận các khí tài quân sự cũng như tài liệu liên quan đã tiến hành một số nghiên cứu nhằm tổng hợp thuật toán điều khiển ổn định đường ngắm cho súng pháo trên các dòng xe tăng chủ lực [18], [28], [42], [49], [62]. Mặc dù vậy, các nghiên cứu này mới dừng lại ở giả định hệ thống truyền động pháo là một cơ hệ bậc 2 lý tưởng, cân bằng, có mô hình rõ và chưa xét đến đặc thù của CCCH và các đặc trưng nhiễu tác động lên hệ thống. 1.5. Thuật toán điều khiển ADRC tuyến tính bậc 2 1.6. Đặt bài toán nghiên cứu Hai bài toán cần giải quyết của hệ thống ổn định đường bắn: a. Bài toán 1: Xác định tham số véc-tơ đường bắn (βr, εr) Trên cơ sở tính toán các góc tư thế xe (θ, ϕ, ψ), bài toán này cần phải xác định được mối quan hệ sau:   r = f  (  y , y , , , )   (1.24)  r =f (  y , y , ,  , )  trong đó, (βy, φy) là tham số phần tử bắn. b. Bài toán 2: Điều khiển bám cho hệ truyền động vũ khí Hệ thống phải duy trì được mối quan hệ:   =  r +   (1.25)  =  r +  khi xe cơ động và tham số (βy, φy) biến đổi với sai số bám sát ( ,  ) đủ nhỏ. Trong đó, ε, β là góc tầm, hướng của trục nòng pháo trong HTĐ liên kết thân xe. Nội dung thực hiện của luận án: - Xây dựng mô hình động lực học cho hệ thống truyền động vũ khí; - Tổng hợp thuật toán xác định tham số véc-tơ đường bắn cho pháo dựa
5 trên bộ lọc Kalman mở rộng, cảm biến đo lường quán tính 6 bậc tự do (6-DOF IMU), cảm biến từ trường 3 trục, cảm biến đo lường tham số góc. - Tổng hợp thuật toán bám sát tốc độ ADRC với bộ quan sát mở rộng ESO được cải tiến trên cơ sở ứng dụng mạng RBF. - Tổng hợp hệ thống điều khiển bám và ổn định trục nòng pháo trên cơ sở kỹ thuật điều khiển phân tầng với vòng điều khiển bám vị trí sử dụng luật điều khiển PID; - Tiến hành khảo sát thực nghiệm và nghiên cứu đặc tính nhiễu tác động lên hệ thống điều khiển ổn định đường bắn trên xe bánh xích. Trên cơ sở đó, tiến hành mô phỏng, đánh giá chất lượng hệ thống. 1.7. Kết luận Chương 1 Qua phân tích mô hình và các đặc điểm dao động, có thể thấy phương tiện CĐCĐBX có đặc trưng riêng so với các phương tiện khác, dẫn đến sự khác biệt trong cách tiếp cận, xây dựng mô hình hệ thống và điều khiển. Bên cạnh cấu trúc phức tạp, bị tác động bởi nhiễu và chứa các tham số bất định của hệ truyền động súng pháo, tính đặc thù quân sự của phương tiện cũng hạn chế khả năng tiếp cận, nghiên cứu đối với các công trình cả trong và ngoài nước. Do đó, việc đặt ra bài toán tổng hợp hệ thống điều khiển bám và ổn định trục nòng pháo trên phương tiện CĐCĐBX vừa có ý nghĩa khoa học, vừa có ý nghĩa thực tiễn. Chương 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG THỦY LỰC TẦM HƯỚNG CỦA SÚNG PHÁO 2.1. Các hệ tọa độ sử dụng trong mô tả chuyển động của phương tiện 2.1.1. Hệ tọa độ cố định mặt đất 2.1.2. Hệ tọa độ chuẩn và hệ tọa độ liên kết 2.2. Hệ phương trình động lực học của cơ hệ tháp - pháo 2.2.1. Mô tả cơ hệ tháp - pháo trên phương tiện cơ động bánh xích Điều kiện ổn định đường bắn khi phần tử bắn (βy, φy) không thay đổi:  o =  y   Ay +  = 0  o và  (2.6)   = y   Ax sin  +  Az cos  = 0  trong đó, (oβ, oε) là các tham số góc của trục nòng pháo trong hệ tọa độ chuẩn. Điều kiện ổn định đường bắn khi phần tử bắn (βy, φy) thay đổi:  o =  y  o =  y o o   = y   = y  hay  (2.7)  Ey =  y   Ay +  =  y    Ez =  y   Ax sin  +  Az cos  =  y
6 2.2.2. Xây dựng các phương trình động lực cho kênh tầm Các phương trình mô tả động lực học cơ hệ kênh tầm: ( ( J Ex − J Ez ) cos 2 + 2 J Exz sin 2 )  Ax Az +   M ED −b =  ( J Ex − J Ez )  2 ,  sin 2 − J Exz cos 2   Ax   2    (2.17)  ( J Ez − J Ex )  2 M ED − c =  sin 2 + J Exz cos 2   Az .  2  1 f ED ( ,  ,  , η) = ( J Ey Ay + M ED −b + M ED −c ), (2.23) Nee J Ey d M Em =  + e  + M Efc + M Egi + f ED ( ,  ,  , η) . (2.24) N ee N ee Nhận xét: Cơ hệ kênh tầm là một hệ động học phi tuyến, chịu tác động của nhiễu xuyên kênh, nhiễu địa hình và có sơ đồ cấu trúc như Hình 2.6. Hình 2.6 Sơ đồ cấu trúc cơ hệ kênh tầm 2.2.3. Xây dựng các phương trình động lực cho kênh hướng Các phương trình mô tả động lực học cơ hệ kênh hướng:  J Az = J Az + J Ex sin 2  + J Ez cos 2  − J Exz sin 2   M Ad 1 = [ J Ay + J Ey − J Ax − J Ex cos  − J Ez sin  − J Exz sin 2 ] Ax Ay 2 2 M  Ad 2 = [( J Ez − J Ex )sin  cos  + J Exz cos 2 ]( Ax −  Ay Az )   M Ad 3 = J Axy ( Ax −  Ay ) 2 2 (2.34)   M Ad 4 = [( J Ez − J Ex ) cos 2 − 2 J Exz sin 2 + J Ey ]( Ey −  Ay ) Ax  M = [( J − J )sin 2 + 2 J cos 2 ]   Ad 5 Ez Ex Exz Ay Az  M Ad 6 = [( J Ex − J Ez )sin 2 − 2 J Exz cos 2 ] Ey Az  M AD −b = M Ad 1 + M Ad 2 + M Ad 3 + M Ad 4 + M Ad 5  (2.35) M AD −c = M Ad 6
7 M Am = 1 N aa (J Az  + d a  + J AzBz + M Afc + M Agi + M AD−b + M AD−c ) (2.38) 1 f AD (  ,  ,  , η) = ( J Az − J Az )  + J AzBz + M AD−b + M AD−c  N aa   (2.39) J Az d M Am =  + a  + M Afc + M Agi + f AD ( ,  ,  , η) (2.40) N aa N aa Nhận xét: Cơ hệ kênh hướng là một hệ động học phi tuyến, chịu tác động của nhiễu xuyên kênh, nhiễu địa hình và có cấu trúc như Hình 2.7. Hình 2.7. Sơ đồ cấu trúc cơ hệ kênh hướng 2.3. Hệ phương trình động lực học của cơ cấu chấp hành thủy lực CCCH của hệ truyền động thủy lực có sơ đồ khối như Hình 2.8. Hình 2.8 Sơ đồ khối cơ cấu chấp hành thủy lực Giả thiết: tốc độ đầu trục động cơ dẫn động bơm ωp không đổi. 2.3.1. Bơm thủy lực pít-tông hướng trục Các phương trình mô tả động lực học của cơ cấu van servo: 1 2 Dv f v1 ( xv , xv ) = − xv − xv − f hs sgn( xv ) , (2.45)  2 v v ( K fl + K h ) bv = Av ; f v 2 ( xv , xv ) = 1 Av ( Af ( ps − pr ) + mv xv + Bv xv ) , fv = bv fv1 ( xv , xv ) + fv 2 ( xv , xv ) , (2.51) pv = Kvbvuv + f v . (2.52) Áp suất tải tác động lên cơ cấu điều khiển đĩa nghiêng:
8 jp M l = R p Ap PL  sin i . (2.57) i =1 Phương trình vi phân mô tả động lực học cơ cấu điều khiển đĩa nghiêng: jp J p p + B p p + K s p = Rv Av K v bv uv + Rv Av f v − R p Ap PL  sin i . (2.60) i =1 Nhận xét: Từ (2.60) có thể thấy, cơ cấu điều khiển đĩa nghiêng của bơm thủy lực pít-tông hướng trục là một khâu động học phi tuyến bậc 2. Yếu tố phi tuyến của mô hình đến từ đặc tính động lực của van servo điều khiển và đến từ đặc tính của áp suất tải PL tác động lên đĩa nghiêng. Bên cạnh yếu tố phí tuyến, cơ cấu này còn chịu tác động của nhiều loại nhiễu ([33]). 2.3.2. Động cơ thủy lực trục nghiêng Mức chênh áp suất tại các cửa vào/ra của động cơ: 20 M m PL = (bar). (2.64) mmVgm 20 Rp Ap jp Đặt K pm =  sini , thay (2.65) vào (2.61), sẽ được: mmVgm i =1 J p p + Bp p + Ks p = Rv Av Kvbvuv + Rv Av fv − K pm M m . (2.66) Trong đó, đối với kênh tầm M m  M Em và được xác định trong (2.24); đối với kênh hướng, M m  M Am và được xác định trong (2.40). Giả thiết khối xi-lanh quay của bơm và động cơ được thiết kế như nhau. v2 Nghĩa là im = ip ; Dm = Dp ; Am = Ap ; (vm  vp ) = v . Đặt K m = , ta có: sin  m nm = Km np tan  p (vòng/phút). (2.70) 2.4. Mô hình hệ thống truyền động tháp - pháo Phương trình động lực học hệ truyền động tầm: be 0uve + Rv Av f ve −  ce 2 + ce1 + ce 0 =   (  K pm M Efc + M Egi + f ED ( ,  ,  , η)   )  (2.75) Phương trình động lực học hệ truyền động hướng: ba 0uva + Rv Av f va −  ca 2 + ca1 + ca 0 =   ( )  K pm M Afc + M Agi + f AD (  ,  ,  , η)    (2.78) Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động tầm hướng của súng pháo trên phương tiện CĐCĐBX được mô tả trong Hình 2.11.
9 Hình 2.12 Sơ đồ cấu trúc hệ truyền động tầm - hướng Nhận xét: Mô hình (2.75) và (2.78) cho thấy, hệ truyền động tầm (hướng) của vũ khí trên phương tiện CĐCĐBX sử dụng CCCH thủy lực tương đương với các hệ động học SISO bậc 2 chịu tác động của tổng nhiễu phi tuyến bất định, gồm: tác động của thành phần bất định mô hình, tác động của nhiễu xuyên kênh, nhiễu địa hình và nhiễu ngoại lực (trọng lực, lực quán tính). 2.5. Kết luận Chương 2 Nội dung Chương 2 của luận án đã xây dựng được mô hình động lực học của hệ thống truyền động vũ khí trên cơ sở động học các thành phần. Kết quả xây dựng mô hình toán học của hệ thống truyền động vũ khí trên phương tiện CĐCĐBX là tiền đề quan trọng để tổng hợp thuật toán ổn định đường bắn trong Chương 3 với chiến lược điều khiển phù hợp, nhằm đáp ứng các yêu cầu về chất lượng đặt ra cho hệ thống điều khiển ổn định đường bắn. Một phần kết quả nghiên cứu của chương đã được công bố trong công trình khoa học [CT1] và [CT2]. Chương 3 TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BÁM VÀ ỔN ĐỊNH TRỤC NÒNG PHÁO TRÊN PHƯƠNG TIỆN CƠ ĐỘNG BÁNH XÍCH Nội dung chương giải quyết 2 bài toán đặt ra: Bài toán 1: Xây dựng thuật toán xác định véc-tơ đường bắn cho súng pháo trong điều kiện xe cơ động và tham số phần tử bắn biến đổi ứng dụng bộ lọc
10 Kalman mở rộng, cảm biến quán tính 6-DOF IMU, cảm biến từ trường 3 trục và các cảm biến đo tham số góc pháo. Bài toán 2: Tổng hợp thuật toán điều khiển loại trừ nhiễu chủ động ADRC bám sát tốc độ quay pháo ứng dụng mạng nơ-ron RBF nhận dạng các thành phần phi tuyến bất định và nhiễu. Trên cơ sở đó, tổng hợp hệ thống điều khiển bám và ổn định trục nòng pháo theo phương pháp ổn định gián tiếp với kỹ thuật điều khiển phân tầng kết hợp bộ điều khiển ADRC và bộ điều khiển PID. 3.1. Tổng hợp thuật toán xác định tham số véc-tơ đường bắn trong điều kiện tư thế xe và phần tử bắn biến đổi 3.1.1. Mô tả tư thế của phương tiện trong hệ tọa độ chuẩn Sử dụng các phép chuyển đổi hệ tọa độ với ma trận chỉ hướng Cosine, xác định được tốc độ các góc tư thế của phương tiện trong hệ tọa độ quán tính:  = Bx + By sin  tan  + Bz cos  tan     = By cos  − Bz sin  (3.7)   = By sin  sec + Bz cos  sec  Các góc tư thế của phương tiện cũng có thể được biểu diễn theo véc-tơ đơn vị quaternion q =  q0 q1 q2 q3  : T   R32   2q2 q3 + 2q0 q1   = arctan   = arctan  2   2q0 + 2q3 − 1  2   R33    = − arcsin ( R31 ) = − arcsin ( 2q1q3 − 2q0 q2 ) . (3.10)   = arctan  R21  = arctan  2q1q2 + 2q0 q3      2   2q0 + 2q1 − 1  2   R11  3.1.2. Tổng hợp thuật toán xác định tư thế xe với bộ lọc Kalman mở rộng a. Xây dựng mô hình quá trình cho bộ lọc Mô hình đo lường tham số tốc độ góc sử dụng cảm biến quán tính: b ω = b ω t + b + w  . (3.11) Chọn véc-tơ trạng thái của bộ lọc: T T x =  o q b  =  q0 q1 q2 q3 b x b y b z  . b    (3.13) Sử dụng phương pháp khai triển chuỗi Taylor bậc nhất để tuyến tính hóa tại điểm làm việc, xác định được phương trình trạng thái của hệ thống: xk +1 = Fxk + Guk + w k , (3.24) trong đó:
11  T  T  I − Ω(qk )  Ω(qk )  w  F= 4 2 ; G =2 ; u k = b ωk ; w k =  q ,k  . (3.25)      031  034  I3    033    b. Xây dựng mô hình quan sát: Véc-tơ đo lường bao gồm các tham số gia tốc tịnh tiến và từ trường 3 trục: T T z =  ba  m  =  aBx aBy aBz mBx mBy mBz  b    (3.27) Mô hình đo lường của cảm biến gia tốc: b a = b R (− o g) + a x + w a , o (3.28) trong đó, cảm biến gia tốc đã được hiệu chỉnh để loại bỏ độ trôi và coi thành phần gia tốc ngoài ax là các nhiễu có phân bố chuẩn. Mô hình đo lường của cảm biến từ trường: b m = b R ( o m) + w m . o (3.29) Ma trận Jacobian:  h a (q)  h(q)  q   H a  Hq = = =  h m (q )   H m  (3.35) q    q    Mô hình hệ thống quan sát: z k = Hk xk + Wk . (3.38) Trong đó:  Ha 033  Hk H 033  (3.39)  m  c. Thuật toán EKF trên cơ sở ước lượng quaternion - Các giá trị khởi tạo: b ω0 = 041 ; x0 = 1 016  ; P0 = I 7 T - Các bước thực hiện thuật toán: Dự đoán → Hiệu chỉnh → Chuẩn hóa Kết quả ước lượng véc-tơ quternion được sử dụng để xác định các tham số tư thế xe theo biểu thức (3.10). 3.1.3. Xây dựng hệ phương trình xác định tham số véc-tơ đường bắn Véc-tơ đường bắn trong hệ tọa độ chuẩn:  oXm  cos  y .cos  y  o    o M =  Ym  = Dmt  cos  y .sin  y  . (3.43)  oZm   sin  y      Với các tọa độ thành phần:
12  b X m = R11 cos  y cos  y + R21 cos  y sin  y + R31 sin  y b   Y m = R12 cos  y cos  y + R22 cos  y sin  y + R32 sin  y (3.47) b  Z m = R13 cos  y cos  y + R23 cos  y sin  y + R33 sin  y  xác định được véc-tơ đường bắn chuẩn hóa trong tọa độ Đề-các: Z m  = cos  r cos r cos  r sin  sin  r  . T M =  bXm b b b T  Ym  (3.48) Tham số véc-tơ đường bắn cho súng pháo trong hệ tọa độ liên kết với khối tầm, hướng được xác định bởi: (  r = arcsin b Z m  )    bYm  (3.49)   r = arctan  b     Xm  3.2. Tổng hợp thuật toán bám sát tốc độ pháo ADRC với bộ quan sát mở rộng ESO cải tiến ứng dụng mạng nơ-ron RBF 3.2.1. Thiết kế bộ quan sát trạng thái mở rộng ESO dựa trên mạng RBF Xét hệ động học bậc 2 dạng tổng quát có chứa thành phần phi tuyến bất định h(t) và nhiễu d(t): y = k1 y + k0 y + b0u + h(t ) + d (t ) . (3.50) Định nghĩa hàm tổng nhiễu và phi tuyến bất định: f (t ) = h(t ) + d (t ) , (3.51) Định nghĩa các ma trận: 0 1 0 0 A=  ; B = b  ; C = 1 0; D = 1 , (3.55)  k0 k1   0   Phương trình trạng thái của hệ thống:  x = Ax + Bu (t ) + Df (t )  (3.56)  y (t ) = Cx Phương trình trạng thái của bộ quan sát mở rộng ESO: ˆ ˆ ˆ  x = Ax + Bu (t ) + Df (t ) + L( y − y ) ˆ  (3.58)  y (t ) = Cx ˆ ˆ Định nghĩa K = A − LC , e [e1 ˆ e2 ]T , f (t ) = f (t ) − f (t ) . Khi đó: e = K  e + Df (t ) . (3.61) là phương trình trạng thái của sai số ước lượng. Sử dụng mạng RBF để ước lượng hàm f(t): m f (t ) =  wi*i ( x) +  = W * T ( x) +  . (3.62) i =1
13 Lựa chọn hàm kích hoạt cho mạng RBF là các hàm Gauss:  − x − ci 2  i = exp   , i = 1...m . (3.63)  2 i2    Hệ thống ước lượng được xây dựng có cấu trúc như Hình 3.4. Hình 3.4 Cấu trúc hệ thống ước lượng trạng thái và nhiễu Luật cập nhật trọng số theo thuật toán Gradient giảm dốc: ˆ ˆ Wk +1 = Wk +   Wk +1 , (3.68) với tốc độ cập nhật η và với gradient của trọng số được xác định bởi: Wk +1 = − k +1DT ( K −1 ) CT e1|k +1 T (3.71) 3.2.2. Phân tích tính ổn định của hệ thống ước lượng trạng thái và nhiễu Chọn hàm Lyapunov: V = eT Pe + tr (W TW ) . (3.73) Điều kiện ổn định: 2 Wmax  . (3.92)  max 2 Giới hạn miền ổn định: 2 PD  M M = (3.93) rmin ( Q ) + Ζ 2 Nhận xét: - Hệ thống ước lượng trạng thái và nhiễu là ổn định khi tốc độ học của mạng RBF thỏa mãn bất đẳng thức (3.92); - Hệ thống ổn định trong toàn bộ không gian trạng thái trừ vùng lân cận gốc tọa độ có bán kính  M được xác định theo (3.93) và còn được gọi là hệ thống ổn định thực tế.
14 3.2.3. Xây dựng cấu trúc bộ điều khiển ADRC bám sát tốc độ pháo Bộ điều khiển ADRC bám sát tốc độ pháo cho hệ thống ổn định đường bắn được xây dựng có sơ đồ cấu trúc như Hình 3.6. Hình 3.6 Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển ADRC bám sát tốc độ Luật điều khiển: ˆ u (t ) − f (t ) uv (t ) = 0 với u0 (t ) = K1.r (t ) − y(t ) − K2 . y(t ) ˆ ˆ (3.99) b0 Với khả năng ước lượng của bộ quan sát mở rộng ESO, sẽ có: ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ x1 (t ) = y(t )  y(t ); x2 (t ) = y(t )  y(t ); x3 (t ) = f (t )  f (t ) , (3.101) vòng điều khiển bám tốc độ trở thành hệ tuyến tính bậc 2: 1 (K − k ) (K − k ) y(t ) + 2 1 y(t ) + 1 0 y(t ) = r (t ) . (3.103) K1 K1 K1 3.3. Tổng hợp hệ thống điều khiển bám và ổn định trục nòng pháo 3.3.1. Tổng hợp bộ điều khiển PID bám sát vị trí pháo Hệ thống điều khiển bám sát vị trí pháo được xây dựng theo cấu trúc phân tầng, với vòng trong là bộ điều khiển ADRC đã được tổng hợp, vòng ngoài là bộ điều khiển PID và có sơ đồ cấu trúc hệ thống như Hình 3.7. Hình 3.7 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển bám sát vị trí Luật điều khiển: de(t ) r (t ) = K p e(t ) + Ki  e(t )dt + K d . (3.104) dt Hệ thống điều khiển bám và ổn định gián tiếp trục nòng pháo trên phương tiện CĐCĐBX được xây dựng có sơ đồ khối chức năng như Hình 3.8.
15 Hình 3.8 Hệ thống điều khiển bám và ổn định trục nòng pháo 3.3.2. Phân tích tính ổn định của hệ thống điều khiển Hàm truyền đạt của vòng điều khiển tốc độ: Y (s) K1 GA ( s ) = = 2 . (3.106) r ( s) s + ( K 2 − k1 ) s + K1 − k0 Các tham số của bộ điều khiển (3.106) được xác định theo phương pháp đặt nghiệm cực: K1 = k0 + ( s vk )2 ; K 2 = k1 − 2s vk . (3.108) Ma trận độ lợi của bộ quan sát trạng thái bậc 2 được lựa chọn sao cho bộ quan sát có cực nằm bên trái các cực của vòng kín. Hàm truyền đạt của bộ điều khiển PID:  ( s) K GP ( s) = r = K p + i + Kd s . (3.113) E ( s) s Cấu trúc vòng điều khiển bám vị trí góc pháo: Hình 3.9. Cấu trúc vòng lặp điều khiển bám sát vị trí góc pháo Đặt K1 = K1 − k0 ; K 2 = K 2 − k1 . Hàm truyền đạt của vòng điều khiển vị trí: * * K1 K d s 2 + K1 K p s + K1 Ki Gsys ( s) = . (3.115) s 4 + K 2 s 3 + K1 (1 + K d ) s 2 + K1 K p s + K1 Ki
16 Điều kiện ổn định của hệ thống điều khiển bám vị trí được xác định theo tiêu chuẩn đại số Routh-Hurwitz:  K p  0; K i  0; K d  −1   K p  K 2 (1 + K d ) *    K  K1 K p ( K 2 K d + K 2 − K p ) * * * (3.119)  i ( K 2* ) 2   3.4. Kết luận Chương 3 Chương 3 đã tổng hợp hệ thống điều khiển bám và ổn định gián tiếp trục nòng pháo trên phương tiện CĐCĐBX. Trong đó, bài toán xác định tham số véc- tơ đường bắn trong điều kiện xe cơ động và phần tử bắn biến đổi ứng dụng bộ lọc Kalman mở rộng, cảm biến quán tính 6-DOF IMU, cảm biến từ trường 3 trục và các cảm biến đo tham số góc pháo. Thuật toán bám tốc độ ADRC với bộ quan sát mở rộng cải tiến ứng dụng mạng nơ-ron RBF cho phép tách kênh và nâng cao chất lượng điều khiển hệ phi tuyến bất định tham số, chịu tác động của nhiễu ngoại lực và nhiễu xuyên kênh. Trên cơ sở đó, luận án tổng hợp vòng điều khiển bám vị trí với luật PID cho hệ thống ổn định đường bắn. Điều kiện ổn định của hệ thống được xác định thông qua các dẫn giải và phân tích toán học tường minh. Các kết quả nghiên cứu của Chương 3 đã được công bố trong các công trình khoa học [CT1], [CT2], [CT3] và [CT4]. Chương 4 MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM Nội dung chương trình bày các kết quả mô phỏng trong môi trường Matlab Simulink và một số kết quả thử nghiệm, thực nghiệm trên hệ thống thực tế là tổ hợp pháo phòng không tự hành ZSU-23-4 (phiên bản nâng cấp trong nước). 4.1. Thông số mô phỏng của hệ thống Các thông số mô phỏng được xác định trên cơ sở phân tích tài liệu, khảo sát, đo đạc và thử nghiệm hệ thống. 4.2. Thực nghiệm khảo sát đặc trưng nhiễu tác động lên đường bắn a. Ảnh hưởng của hiện tượng rung xe khi nổ máy Hình 4.1 Ảnh hưởng của nhiễu rung xe tới góc đường bắn
17 Hình 4.2 Ảnh hưởng của nhiễu rung xe tới tốc độ góc đường bắn Nhận xét: Biên độ nhiễu đỉnh - đỉnh của các tọa độ góc đường ngắm chỉ xấp xỉ 0,005° (Hình 4.1). Các dao động theo 3 trục với tốc độ góc lớn nhất không vượt quá 1°/s và có dạng nhiễu trắng (Hình 4.2). Các nhiễu này không ảnh hưởng đáng kể tới độ chính xác của đường bắn và có thể bỏ qua. b. Ảnh hưởng của loạt bắn tới tọa độ đường bắn Hình 4.3 Tác động của loạt bắn khi sử dụng hệ dẫn động cơ khí Hình 4.4 Tác động của loạt bắn khi sử dụng hệ dẫn động thủy lực Hình 4.5 Phổ biên độ các thành phần dao động do loạt bắn Nhận xét: Loạt bắn gây sai lệch các góc đường bắn với biên độ theo 3 trục
18 Roll, Pitch Yaw lần lượt xấp xỉ 0,3o, 0,5o, 0,1o khi sử dụng hệ dẫn động cơ khí (Hình 4.3) và 0,6o, 1,2o, 0,7o khi sử dụng hệ dẫn động thủy lực (Hình 4.4). Kết quả phân tích phổ ở Hình 4.5 cho thấy, các dao động khi bắn bằng hệ dẫn động thủy lực có biên độ lớn ở dải tần số thấp (nhỏ hơn 1Hz) và biên độ nhỏ hơn nhiều ở dải tần số cao (15Hz ~ 35Hz). c. Ảnh hưởng của nhiễu địa hình khi xe cơ động Điều kiện thử nghiệm: xe cơ động thẳng 350m trên đường địa hình với tốc độ đều xấp xỉ 10km/h. Hình 4.6 Ảnh hưởng của nhiễu địa hình tới các góc đường bắn Kết quả mô phỏng cho thấy, nhiễu góc Yaw có biên độ trung bình lớn nhưng biến đổi chậm, trong khi nhiễu góc Roll và Pitch có biên độ trung bình nhỏ hơn nhưng biến đổi nhanh và có sự đột biến. Hình 4.8 Phổ biên độ của các dao động góc đường bắn khi xe cơ động Kết quả mô phỏng trên Hình 4.8 cho thấy, các dao động của pháo do nhiễu địa hình tập trung ở vùng tần số thấp dưới 1Hz và có thể bù được bằng hệ thống ổn định đường bắn. Hình 4.9 Mật độ xác suất của thành phần gia tốc tịnh tiến